城市公交车辆互联自适应模型研究与实现

吕红琳,吴 懿

(1.四川省经济信息中心,四川成都 610021;2.成都大学艺术学院,四川成都 610106)

0 引 言

随着城市公共交通系统的日益发达,公交车辆间的互联日益成为各方面关注的话题.以成都市为例,现有公交车辆5 200余台次,每天乘坐公共交通工具的市民约有三百万人次,这么大的流动量和公交网络,实现车辆间的互联具有十分重要的意义:交通管理者可以清楚地了解每个车辆的运行情况,车辆之间可以及时互相通信以及定位,通过这种方式,可以大大提高公交车辆的运行效率.由于城市车辆运行的特点比较符合移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks, MANET)的特点,而自组织网络中的节点可以方便地得到周围邻居节点的信息,包括节点移动速度,移动方向以及节点之间的距离,这些信息恰好是本论文必须的参数信息.本研究以城市公交车辆互联为研究对象,采用Ad Hoc网络理论基础,进行相关的理论分析和系统建模,最后得出仿真结果.

1 研究对象概述

本研究以成都市公交系统为研究对象,选择具有代表性的4路公交车运行线路为模型设计,4路公交车运行线路如图1所示.

从图1可以看出,该公交线路属于较长运行路线,运行范围为东西走向,全长约19 km,共有21站,运行时间约90 min,早上发车时间为6点30,晚上收车时间为11点.4路公交车线路共有车辆65台,早晚高峰时段发车频率为5 min,其他时段发车频率约为10 min.本研究以平时出行为参考对象,即每10 min有一台车辆离开总站.以平均运行时间为90 min计算,在该时间段内,理论上应该有9台车辆运行在线路上.由于线路长度为19 km,因此,理论上每台车之间的距离约为2 km.

图1 成都市4路公交车运行线路图

2 车辆互联自适应模拟理论分析

移动Ad Hoc网络[1]是一种对等网络,网络中的节点没有主次之分,它们同时具备主机和路由器的功能.一个节点既可扮演网络中的“端系统”(主机)的角色,也可以扮演“中间系统”(路由器)的角色.由于该类网络的网络拓扑处于不断变化之中,因此,该类网络必须能适应拓扑变化进行重组,故称之为“自组网”.当该类网络中的一对主机不能直接通信时,需要借助一个或多个中间节点的转发来实现,故又称之为“多跳网络”.在无线网络中,对节点相对的运动情况进行分析,通过对节点速率的测试,可以得出:对于检测Pc节点的位置是相对不变的,而Pt节点相对于Pc节点是在运动状态下的.所以,针对Ad Hoc网络中节点活动状态下的速率,本研究设计了如图2所示的节点移动速度检测机制,也就是检测节点速率针对被检测节点Pt移动时的过程[2].

图2 节点移动速度检测图

两个节点之间位置的移动,在某种情况下可以认为是速度的检测问题(见图3).在被测试的节点Pc在开始时向其前方节点发送数据包,这个时候,前方节点Pt收到这个数据包,当然这个时候的时刻t2应该记录下来,同时生成数据包发送响应.继续假设Pc向前移动,在t3时刻,它收到了前方节点发送回来的响应包,这个时候Pc节点再次发送数据包, Pt在t4时候又回送数据包,这样的两次检测后时间才会比较稳定,才具有参考性.这样的一次完整的检测才算结束.

图3 节点速度检测示意图

两个节点之间相对的位置与距离可以通过两次收集到数据包的时间来进行计算,其中时间为:ΔT =(t4-t2),通常忽略掉数据的更新带来的时间消耗[3].节点相对距离为,

故,目标节点 Pt的相对移动速率可以表示为,

就城市公交车辆运行系统而言可以将上述的公式简化为,

节点移动的相对距离为,

节点的相对移动速率可以表示为,

依据节点的移动速度,可方便地计算出前后方车辆的距离,这些数据对网络仿真提供重要参数.

3 车辆互联自适应模拟仿真研究

本研究城市公交车辆的互联自适应模型的建立参考Ad Hoc的网络模型,在Opnet[3]网络仿真软件中实现.模型仿真参数的设置[4]为:

(1)网络参数设置.网络覆盖面积为3×3 km2,节点个数18个(代表车辆双向通行),节点的通信距离300 m,信号的传输速度为0.5 Mb/s.

(2)底层MAC采用IEEE802.11协议,以CSMA/ CA方式接入,物理层采用扩频跳频方式,网络层采用表驱动路由协议OLSR协议.

(3)节点的运行采用2种方式:第一种方式是节点运行没有规律,节点的速度随机产生,主要是用于测试自适应前的数据;第二种方式为采用自适应后的模型,节点依靠前后方节点的运行速度和距离,自适应调整自己的速度,通过仿真观察节点之间的距离是否适合城市公交车辆的运行优化方案[5].

本模型仿真数据如图4所示.

图4 节点自适应速度比较图

从图4中可以看出,前后方的节点的移动速度在比较固定的情况下,本节点的速度在自适应前通过网络调整为比较突发变动,其最大的速度差为2.7,速度比最大为77%,可见仿真实验具有很强的针对性.而通过自适应后,节点的速度差变为1,速度比最大为14%,基本符合系统要求(见图5).

图5 节点自适应距离比较图

从图5中可以清楚地看到,由于在自适应之前,测试节点与前后节点的距离处于比较突发阶段,最远距离和最近距离的差距达到了15 m,这几乎是前面最短距离的2倍,这样的结果很容易造成城市车辆在运行过程中,2辆车辆几乎同时到达某个站台.通过系统的自适应后,节点之间的距离基本维持在一个很稳定的尺度以内,距离之间的差距都非常接近,因此系统的自适应是非常有效和成功的.

4 结 语

本论文以城市车辆互联自适应模型为研究对象,利用Ad Hoc网络特点进行模型仿真.仿真实验表明,系统采用自适应方式后能够显著提高车辆的运行效率.当然,本研究只是对系统做了仿真操作,具体公交车辆互联系统还有待进一步开发和研究.

[1]Chlamtac I,Conti M,Liu J,et al.Mobile Ad Hoc Networking: Imperatives and Challenges[J].Ad Hoc Networks,2003,1(1): 13-64.

[2]何晖,王换招,李昊,梅涛,等.增强Ad Hoc网络稳定性的移动问题解决策略[J].西安交通大学学报,2011,45(4):6-11.

[3]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]张洪.高速移动自组网OLSR路由协议研究与改进[D].成都:西南交通大学,2007.

[5]徐娟,张洪,周启忠.基于遗传算法的杂寨沟车辆调度优化方案研究[J].成都大学学报(自科版),2010,29(1):57 -59.